阿里腾讯今日头条纷纷翻牌子,ClickHouse到底有什么本事?
ClickHouse是近年來備受關(guān)注的開源列式數(shù)據(jù)庫,主要用于數(shù)據(jù)分析(OLAP)領(lǐng)域。目前國(guó)內(nèi)社區(qū)火熱,各個(gè)大廠紛紛跟進(jìn)大規(guī)模使用:
- 今日頭條 內(nèi)部用ClickHouse來做用戶行為分析,內(nèi)部一共幾千個(gè)ClickHouse節(jié)點(diǎn),單集群最大1200節(jié)點(diǎn),總數(shù)據(jù)量幾十PB,日增原始數(shù)據(jù)300TB左右。
- 騰訊內(nèi)部用ClickHouse做游戲數(shù)據(jù)分析,并且為之建立了一整套監(jiān)控運(yùn)維體系。
- 攜程內(nèi)部從18年7月份開始接入試用,目前80%的業(yè)務(wù)都跑在ClickHouse上。每天數(shù)據(jù)增量十多億,近百萬次查詢請(qǐng)求。
- 快手內(nèi)部也在使用ClickHouse,存儲(chǔ)總量大約10PB, 每天新增200TB, 90%查詢小于3S。
在國(guó)外,Yandex內(nèi)部有數(shù)百節(jié)點(diǎn)用于做用戶點(diǎn)擊行為分析,CloudFlare、Spotify等頭部公司也在使用。
特別值得一提的是:國(guó)內(nèi)云計(jì)算的領(lǐng)導(dǎo)廠商阿里云率先推出了自己的ClickHouse托管產(chǎn)品,產(chǎn)品首頁地址為云數(shù)據(jù)庫ClickHouse,可以點(diǎn)擊鏈接申請(qǐng)參加免費(fèi)公測(cè),一睹為快!
在社區(qū)方面,github star數(shù)目增速驚人。
在DB-engines排名上,如下圖中紅色曲線所示。ClickHouse開源時(shí)間雖短,但是增勢(shì)迅猛。
為何ClickHouse獲得了如此廣泛的關(guān)注,得到了社區(qū)的青睞,也得到了諸多大廠的應(yīng)用呢?本文嘗試從技術(shù)視角進(jìn)行回答。
1、OLAP場(chǎng)景的特點(diǎn)
讀多于寫
不同于事務(wù)處理(OLTP)的場(chǎng)景,比如電商場(chǎng)景中加購(gòu)物車、下單、支付等需要在原地進(jìn)行大量insert、update、delete操作,數(shù)據(jù)分析(OLAP)場(chǎng)景通常是將數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入后,進(jìn)行任意維度的靈活探索、BI工具洞察、報(bào)表制作等。
數(shù)據(jù)一次性寫入后,分析師需要嘗試從各個(gè)角度對(duì)數(shù)據(jù)做挖掘、分析,直到發(fā)現(xiàn)其中的商業(yè)價(jià)值、業(yè)務(wù)變化趨勢(shì)等信息。這是一個(gè)需要反復(fù)試錯(cuò)、不斷調(diào)整、持續(xù)優(yōu)化的過程,其中數(shù)據(jù)的讀取次數(shù)遠(yuǎn)多于寫入次數(shù)。這就要求底層數(shù)據(jù)庫為這個(gè)特點(diǎn)做專門設(shè)計(jì),而不是盲目采用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的技術(shù)架構(gòu)。
大寬表,讀大量行但是少量列,結(jié)果集較小
在OLAP場(chǎng)景中,通常存在一張或是幾張多列的大寬表,列數(shù)高達(dá)數(shù)百甚至數(shù)千列。對(duì)數(shù)據(jù)分析處理時(shí),選擇其中的少數(shù)幾列作為維度列、其他少數(shù)幾列作為指標(biāo)列,然后對(duì)全表或某一個(gè)較大范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)做聚合計(jì)算。這個(gè)過程會(huì)掃描大量的行數(shù)據(jù),但是只用到了其中的少數(shù)列。而聚合計(jì)算的結(jié)果集相比于動(dòng)輒數(shù)十億的原始數(shù)據(jù),也明顯小得多。
數(shù)據(jù)批量寫入,且數(shù)據(jù)不更新或少更新
OLTP類業(yè)務(wù)對(duì)于延時(shí)(Latency)要求更高,要避免讓客戶等待造成業(yè)務(wù)損失;而OLAP類業(yè)務(wù),由于數(shù)據(jù)量非常大,通常更加關(guān)注寫入吞吐(Throughput),要求海量數(shù)據(jù)能夠盡快導(dǎo)入完成。一旦導(dǎo)入完成,歷史數(shù)據(jù)往往作為存檔,不會(huì)再做更新、刪除操作。
無需事務(wù),數(shù)據(jù)一致性要求低
OLAP類業(yè)務(wù)對(duì)于事務(wù)需求較少,通常是導(dǎo)入歷史日志數(shù)據(jù),或搭配一款事務(wù)型數(shù)據(jù)庫并實(shí)時(shí)從事務(wù)型數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。多數(shù)OLAP系統(tǒng)都支持最終一致性。
靈活多變,不適合預(yù)先建模
分析場(chǎng)景下,隨著業(yè)務(wù)變化要及時(shí)調(diào)整分析維度、挖掘方法,以盡快發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)價(jià)值、更新業(yè)務(wù)指標(biāo)。而數(shù)據(jù)倉庫中通常存儲(chǔ)著海量的歷史數(shù)據(jù),調(diào)整代價(jià)十分高昂。預(yù)先建模技術(shù)雖然可以在特定場(chǎng)景中加速計(jì)算,但是無法滿足業(yè)務(wù)靈活多變的發(fā)展需求,維護(hù)成本過高。
2、ClickHouse存儲(chǔ)層
ClickHouse從OLAP場(chǎng)景需求出發(fā),定制開發(fā)了一套全新的高效列式存儲(chǔ)引擎,并且實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)有序存儲(chǔ)、主鍵索引、稀疏索引、數(shù)據(jù)Sharding、數(shù)據(jù)Partitioning、TTL、主備復(fù)制等豐富功能。以上功能共同為ClickHouse極速的分析性能奠定了基礎(chǔ)。
列式存儲(chǔ)
與行存將每一行的數(shù)據(jù)連續(xù)存儲(chǔ)不同,列存將每一列的數(shù)據(jù)連續(xù)存儲(chǔ)。示例圖如下:
相比于行式存儲(chǔ),列式存儲(chǔ)在分析場(chǎng)景下有著許多優(yōu)良的特性。
官方數(shù)據(jù)顯示,通過使用列存,在某些分析場(chǎng)景下,能夠獲得100倍甚至更高的加速效應(yīng)。
數(shù)據(jù)有序存儲(chǔ)
ClickHouse支持在建表時(shí),指定將數(shù)據(jù)按照某些列進(jìn)行sort by。
排序后,保證了相同sort key的數(shù)據(jù)在磁盤上連續(xù)存儲(chǔ),且有序擺放。在進(jìn)行等值、范圍查詢時(shí),where條件命中的數(shù)據(jù)都緊密存儲(chǔ)在一個(gè)或若干個(gè)連續(xù)的Block中,而不是分散的存儲(chǔ)在任意多個(gè)Block, 大幅減少需要IO的block數(shù)量。另外,連續(xù)IO也能夠充分利用操作系統(tǒng)page cache的預(yù)取能力,減少page fault。
主鍵索引
ClickHouse支持主鍵索引,它將每列數(shù)據(jù)按照index granularity(默認(rèn)8192行)進(jìn)行劃分,每個(gè)index granularity的開頭第一行被稱為一個(gè)mark行。主鍵索引存儲(chǔ)該mark行對(duì)應(yīng)的primary key的值。
對(duì)于where條件中含有primary key的查詢,通過對(duì)主鍵索引進(jìn)行二分查找,能夠直接定位到對(duì)應(yīng)的index granularity,避免了全表掃描從而加速查詢。
但是值得注意的是:ClickHouse的主鍵索引與MySQL等數(shù)據(jù)庫不同,它并不用于去重,即便primary key相同的行,也可以同時(shí)存在于數(shù)據(jù)庫中。要想實(shí)現(xiàn)去重效果,需要結(jié)合具體的表引擎ReplacingMergeTree、CollapsingMergeTree、VersionedCollapsingMergeTree實(shí)現(xiàn),我們會(huì)在未來的文章系列中再進(jìn)行詳細(xì)解讀。
稀疏索引
ClickHouse支持對(duì)任意列創(chuàng)建任意數(shù)量的稀疏索引。其中被索引的value可以是任意的合法SQL Expression,并不僅僅局限于對(duì)column value本身進(jìn)行索引。之所以叫稀疏索引,是因?yàn)樗举|(zhì)上是對(duì)一個(gè)完整index granularity(默認(rèn)8192行)的統(tǒng)計(jì)信息,并不會(huì)具體記錄每一行在文件中的位置。目前支持的稀疏索引類型包括:
- minmax: 以index granularity為單位,存儲(chǔ)指定表達(dá)式計(jì)算后的min、max值;在等值和范圍查詢中能夠幫助快速跳過不滿足要求的塊,減少IO。
- set(max_rows):以index granularity為單位,存儲(chǔ)指定表達(dá)式的distinct value集合,用于快速判斷等值查詢是否命中該塊,減少IO。
- ngrambf_v1(n, size_of_bloom_filter_in_bytes, number_of_hash_functions, random_seed):將string進(jìn)行ngram分詞后,構(gòu)建bloom filter,能夠優(yōu)化等值、like、in等查詢條件。
- tokenbf_v1(size_of_bloom_filter_in_bytes, number_of_hash_functions, random_seed):與ngrambf_v1類似,區(qū)別是不使用ngram進(jìn)行分詞,而是通過標(biāo)點(diǎn)符號(hào)進(jìn)行詞語分割。
- bloom_filter([false_positive]):對(duì)指定列構(gòu)建bloom filter,用于加速等值、like、in等查詢條件的執(zhí)行。
數(shù)據(jù)Sharding
ClickHouse支持單機(jī)模式,也支持分布式集群模式。在分布式模式下,ClickHouse會(huì)將數(shù)據(jù)分為多個(gè)分片,并且分布到不同節(jié)點(diǎn)上。不同的分片策略在應(yīng)對(duì)不同的SQL Pattern時(shí),各有優(yōu)勢(shì)。ClickHouse提供了豐富的sharding策略,讓業(yè)務(wù)可以根據(jù)實(shí)際需求選用。
1) random隨機(jī)分片:寫入數(shù)據(jù)會(huì)被隨機(jī)分發(fā)到分布式集群中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)上。?2) constant固定分片:寫入數(shù)據(jù)會(huì)被分發(fā)到固定一個(gè)節(jié)點(diǎn)上。?3)column value分片:按照某一列的值進(jìn)行hash分片。?4)自定義表達(dá)式分片:指定任意合法表達(dá)式,根據(jù)表達(dá)式被計(jì)算后的值進(jìn)行hash分片。
數(shù)據(jù)分片,讓ClickHouse可以充分利用整個(gè)集群的大規(guī)模并行計(jì)算能力,快速返回查詢結(jié)果。
更重要的是,多樣化的分片功能,為業(yè)務(wù)優(yōu)化打開了想象空間。比如在hash sharding的情況下,JOIN計(jì)算能夠避免數(shù)據(jù)shuffle,直接在本地進(jìn)行l(wèi)ocal join;支持自定義sharding,可以為不同業(yè)務(wù)和SQL Pattern定制最適合的分片策略;利用自定義sharding功能,通過設(shè)置合理的sharding expression可以解決分片間數(shù)據(jù)傾斜問題等。
另外,sharding機(jī)制使得ClickHouse可以橫向線性拓展,構(gòu)建大規(guī)模分布式集群,從而具備處理海量數(shù)據(jù)的能力。
數(shù)據(jù)Partitioning
ClickHouse支持PARTITION BY子句,在建表時(shí)可以指定按照任意合法表達(dá)式進(jìn)行數(shù)據(jù)分區(qū)操作,比如通過toYYYYMM()將數(shù)據(jù)按月進(jìn)行分區(qū)、toMonday()將數(shù)據(jù)按照周幾進(jìn)行分區(qū)、對(duì)Enum類型的列直接每種取值作為一個(gè)分區(qū)等。
數(shù)據(jù)Partition在ClickHouse中主要有兩方面應(yīng)用:
- 在partition key上進(jìn)行分區(qū)裁剪,只查詢必要的數(shù)據(jù)。靈活的partition expression設(shè)置,使得可以根據(jù)SQL Pattern進(jìn)行分區(qū)設(shè)置,最大化的貼合業(yè)務(wù)特點(diǎn)
- 對(duì)partition進(jìn)行TTL管理,淘汰過期的分區(qū)數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)TTL
在分析場(chǎng)景中,數(shù)據(jù)的價(jià)值隨著時(shí)間流逝而不斷降低,多數(shù)業(yè)務(wù)出于成本考慮只會(huì)保留最近幾個(gè)月的數(shù)據(jù),ClickHouse通過TTL提供了數(shù)據(jù)生命周期管理的能力。ClickHouse支持幾種不同粒度的TTL:
1) 列級(jí)別TTL:當(dāng)一列中的部分?jǐn)?shù)據(jù)過期后,會(huì)被替換成默認(rèn)值;當(dāng)全列數(shù)據(jù)都過期后,會(huì)刪除該列。?2)行級(jí)別TTL:當(dāng)某一行過期后,會(huì)直接刪除該行。?3)分區(qū)級(jí)別TTL:當(dāng)分區(qū)過期后,會(huì)直接刪除該分區(qū)。
高吞吐寫入能力
ClickHouse采用類LSM Tree的結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)寫入后定期在后臺(tái)Compaction。通過類LSM tree的結(jié)構(gòu),ClickHouse在數(shù)據(jù)導(dǎo)入時(shí)全部是順序append寫,寫入后數(shù)據(jù)段不可更改,在后臺(tái)compaction時(shí)也是多個(gè)段merge sort后順序?qū)懟卮疟P。順序?qū)懙奶匦?#xff0c;充分利用了磁盤的吞吐能力,即便在HDD上也有著優(yōu)異的寫入性能。
官方公開benchmark測(cè)試顯示能夠達(dá)到50MB-200MB/s的寫入吞吐能力,按照每行100Byte估算,大約相當(dāng)于50W-200W條/s的寫入速度。
有限支持delete、update
在分析場(chǎng)景中,刪除、更新操作并不是核心需求。ClickHouse沒有直接支持delete、update操作,而是變相支持了mutation操作,語法為alter table delete where filter_expr, alter table update col=val where filter_expr。
目前主要限制為刪除、更新操作為異步操作,需要后臺(tái)compation之后才能生效。
主備同步
ClickHouse通過主備復(fù)制提供了高可用能力,主備架構(gòu)下支持無縫升級(jí)等運(yùn)維操作。而且相比于其他系統(tǒng)它的實(shí)現(xiàn)有著自己的特色:
1)默認(rèn)配置下,任何副本都處于active模式,可以對(duì)外提供查詢服務(wù);?2)可以任意配置副本個(gè)數(shù),副本數(shù)量可以從0個(gè)到任意多個(gè);?3)不同shard可以配置不提供副本個(gè)數(shù),用于解決單個(gè)shard的查詢熱點(diǎn)問題
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3、ClickHouse計(jì)算層
ClickHouse在計(jì)算層做了非常細(xì)致的工作,竭盡所能榨干硬件能力,提升查詢速度。它實(shí)現(xiàn)了單機(jī)多核并行、分布式計(jì)算、向量化執(zhí)行與SIMD指令、代碼生成等多種重要技術(shù)。
多核并行
ClickHouse將數(shù)據(jù)劃分為多個(gè)partition,每個(gè)partition再進(jìn)一步劃分為多個(gè)index granularity,然后通過多個(gè)CPU核心分別處理其中的一部分來實(shí)現(xiàn)并行數(shù)據(jù)處理。
在這種設(shè)計(jì)下,單條Query就能利用整機(jī)所有CPU。極致的并行處理能力,極大的降低了查詢延時(shí)。
分布式計(jì)算
除了優(yōu)秀的單機(jī)并行處理能力,ClickHouse還提供了可線性拓展的分布式計(jì)算能力。ClickHouse會(huì)自動(dòng)將查詢拆解為多個(gè)task下發(fā)到集群中,然后進(jìn)行多機(jī)并行處理,最后把結(jié)果匯聚到一起。
在存在多副本的情況下,ClickHouse提供了多種query下發(fā)策略
隨機(jī)下發(fā):在多個(gè)replica中隨機(jī)選擇一個(gè);
- 最近hostname原則:選擇與當(dāng)前下發(fā)機(jī)器最相近的hostname節(jié)點(diǎn),進(jìn)行query下發(fā)。在特定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎?#xff0c;可以降低網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。而且能夠確保query下發(fā)到固定的replica機(jī)器,充分利用系統(tǒng)cache。
- in order:按照特定順序逐個(gè)嘗試下發(fā),當(dāng)前一個(gè)replica不可用時(shí),順延到下一個(gè)replica。
- first or random:在In Order模式下,當(dāng)?shù)谝粋€(gè)replica不可用時(shí),所有workload都會(huì)積壓到第二個(gè)Replica,導(dǎo)致負(fù)載不均衡。first or random解決了這個(gè)問題:當(dāng)?shù)谝粋€(gè)replica不可用時(shí),隨機(jī)選擇一個(gè)其他replica,從而保證其余replica間負(fù)載均衡。另外在跨region復(fù)制場(chǎng)景下,通過設(shè)置第一個(gè)replica為本region內(nèi)的副本,可以顯著降低網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。
向量化執(zhí)行與SIMD
ClickHouse不僅將數(shù)據(jù)按列存儲(chǔ),而且按列進(jìn)行計(jì)算。傳統(tǒng)OLTP數(shù)據(jù)庫通常采用按行計(jì)算,原因是事務(wù)處理中以點(diǎn)查為主,SQL計(jì)算量小,實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)的收益不夠明顯。但是在分析場(chǎng)景下,單個(gè)SQL所涉及計(jì)算量可能極大,將每行作為一個(gè)基本單元進(jìn)行處理會(huì)帶來嚴(yán)重的性能損耗:
1)對(duì)每一行數(shù)據(jù)都要調(diào)用相應(yīng)的函數(shù),函數(shù)調(diào)用開銷占比高;?2)存儲(chǔ)層按列存儲(chǔ)數(shù)據(jù),在內(nèi)存中也按列組織,但是計(jì)算層按行處理,無法充分利用CPU cache的預(yù)讀能力,造成CPU Cache miss嚴(yán)重;?3)按行處理,無法利用高效的SIMD指令;
ClickHouse實(shí)現(xiàn)了向量執(zhí)行引擎(Vectorized execution engine),對(duì)內(nèi)存中的列式數(shù)據(jù),一個(gè)batch調(diào)用一次SIMD指令(而非每一行調(diào)用一次),不僅減少了函數(shù)調(diào)用次數(shù)、降低了cache miss,而且可以充分發(fā)揮SIMD指令的并行能力,大幅縮短了計(jì)算耗時(shí)。向量執(zhí)行引擎,通常能夠帶來數(shù)倍的性能提升。
動(dòng)態(tài)代碼生成Runtime Codegen
在經(jīng)典的數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)中,通常對(duì)表達(dá)式計(jì)算采用火山模型,也即將查詢轉(zhuǎn)換成一個(gè)個(gè)operator,比如HashJoin、Scan、IndexScan、Aggregation等。為了連接不同算子,operator之間采用統(tǒng)一的接口,比如open/next/close。在每個(gè)算子內(nèi)部都實(shí)現(xiàn)了父類的這些虛函數(shù),在分析場(chǎng)景中單條SQL要處理數(shù)據(jù)通常高達(dá)數(shù)億行,虛函數(shù)的調(diào)用開銷不再可以忽略不計(jì)。
另外,在每個(gè)算子內(nèi)部都要考慮多種變量,比如列類型、列的size、列的個(gè)數(shù)等,存在著大量的if-else分支判斷導(dǎo)致CPU分支預(yù)測(cè)失效。
ClickHouse實(shí)現(xiàn)了Expression級(jí)別的runtime codegen,動(dòng)態(tài)地根據(jù)當(dāng)前SQL直接生成代碼,然后編譯執(zhí)行。如下圖例子所示,對(duì)于Expression直接生成代碼,不僅消除了大量的虛函數(shù)調(diào)用(即圖中多個(gè)function pointer的調(diào)用),而且由于在運(yùn)行時(shí)表達(dá)式的參數(shù)類型、個(gè)數(shù)等都是已知的,也消除了不必要的if-else分支判斷。
近似計(jì)算
近似計(jì)算以損失一定結(jié)果精度為代價(jià),極大地提升查詢性能。在海量數(shù)據(jù)處理中,近似計(jì)算價(jià)值更加明顯。
ClickHouse實(shí)現(xiàn)了多種近似計(jì)算功能:近似估算distinct values、中位數(shù),分位數(shù)等多種聚合函數(shù);建表DDL支持SAMPLE BY子句,支持對(duì)于數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣處理;
復(fù)雜數(shù)據(jù)類型支持
ClickHouse還提供了array、json、tuple、set等復(fù)合數(shù)據(jù)類型,支持業(yè)務(wù)schema的靈活變更。
5、結(jié)語
近年來ClickHouse發(fā)展趨勢(shì)迅猛,社區(qū)和大廠都紛紛跟進(jìn)使用。本文嘗試從OLAP場(chǎng)景的需求出發(fā),介紹了ClickHouse存儲(chǔ)層、計(jì)算層的主要設(shè)計(jì)。ClickHouse實(shí)現(xiàn)了大多數(shù)當(dāng)前主流的數(shù)據(jù)分析技術(shù),具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì):
- 提供了極致的查詢性能:開源公開benchmark顯示比傳統(tǒng)方法快100~1000倍,提供50MB~200MB/s的高吞吐實(shí)時(shí)導(dǎo)入能力)
- 以極低的成本存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù):借助于精心設(shè)計(jì)的列存、高效的數(shù)據(jù)壓縮算法,提供高達(dá)10倍的壓縮比,大幅提升單機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算能力,大幅降低使用成本,是構(gòu)建海量數(shù)據(jù)倉庫的絕佳方案。
- 簡(jiǎn)單靈活又不失強(qiáng)大:提供完善SQL支持,上手十分簡(jiǎn)單;提供json、map、array等靈活數(shù)據(jù)類型適配業(yè)務(wù)快速變化;同時(shí)支持近似計(jì)算、概率數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等應(yīng)對(duì)海量數(shù)據(jù)處理。
相比于開源社區(qū)的其他幾項(xiàng)分析型技術(shù),如Druid、Presto、Impala、Kylin、ElasticSearch等,ClickHouse更是一整套完善的解決方案,它自包含了存儲(chǔ)和計(jì)算能力(無需額外依賴其他存儲(chǔ)組件),完全自主實(shí)現(xiàn)了高可用,而且支持完整的SQL語法包括JOIN等,技術(shù)上有著明顯優(yōu)勢(shì)。
相比于hadoop體系,以數(shù)據(jù)庫的方式來做大數(shù)據(jù)處理更加簡(jiǎn)單易用,學(xué)習(xí)成本低且靈活度高。當(dāng)前社區(qū)仍舊在迅猛發(fā)展中,相信后續(xù)會(huì)有越來越多好用的功能出現(xiàn)。
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本文作者:Roin123
原文鏈接:https://developer.aliyun.com/article/762089?utm_content=g_1000161683
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總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的阿里腾讯今日头条纷纷翻牌子,ClickHouse到底有什么本事?的全部?jī)?nèi)容,希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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